一种逆变器与电网互补的电动机供电装置及其方法与流程

[0001]
本发明涉及电动机供电装置及其方法技术领域，具体涉及一种逆变器与电网互补的电动机供电装置及其方法。


背景技术：

[0002]
随着电力电子技术、计算机技术以及控制技术的发展，电动机通过逆变器供电因具有调速简单、控制性能好的优点，其应用领域日趋广泛。在一些恒速驱动、对转矩要求不高的场合，电网直驱电机的方法仍然有较大优势，首先电网直驱省去了逆变器的高昂成本，其次电网电压正弦度较高，电机损耗低，效率相对较高。将逆变器与电网形成互补的供电形式有助于提高电动机运行的可靠性和系统的经济性，现有逆变器与电网互补供电的方法通常只考虑一台逆变器对应一台电机的方法，这种“一对一”的互补供电方法并不是成本与经济性最佳的，同时逆变器和电网供电装置是在逆变器和电网间加电抗器，通过锁定电网相位，切换时电网和逆变器输出电压幅值和相位保持一致，同频同相后切断逆变器的输出，该控制方法通过采用电抗器滤波，由于存在着电网和逆变器同时供电的阶段，逆变器输出电压中含有大量的谐波电压，谐波电压经过该电抗器后产生较大的谐波电流灌入电网可能会造成逆变器过流等问题。若要抑制该谐波电流，需要较大电感量的电抗器，这又会使逆变器启动电机的阶段电抗器上压降较大，影响电机的正常运行，实用性较差。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于提供一种逆变器与电网互补的电动机供电装置及其方法，以解决现有技术中的上述缺陷。
[0004]
一种逆变器与电网互补的电动机供电装置，包括三相全桥逆变器、lc滤波器、电动机、电网和控制器，所述三相全桥逆变器连接lc滤波器，电动机通过机侧接触器和lc滤波器相连，电动机还通过网侧接触器与电网相连，所述lc滤波器输出端连接机侧电压检测模块，检测lc滤波器中电容两端电压，所述电网输出端连接网侧电压检测模块，检测电网电压，所述控制器连接机测电压检测模块和网侧电压检测模块，用来接收电压信号，所述控制器还连接三相全桥逆变器、机侧接触器和网侧接触器，分别控制三相全桥逆变器输出电压，机侧接触器和网侧接触器的通断。
[0005]
优选的，所述电动机个数为n，所述机侧接触器和网侧接触器个数也为n，所述机侧接触器k
b1
、k
b2
、
…
、k
bn
相互并联，分别对应接至电动机1、电动机2、
…
、电动机n的三相绕组进线端，所述电动机1、电动机2、
…
、电动机n的三相绕组进线端分别串联对应的网侧接触器k
g1
、k
g2
、
…
、、k
gn
，所述网侧接触器k
g1
、k
g2
、
…
、k
gn
相互并联挂接在三相电网输出端，所述逆变器可实现n个电动机的顺序软启动。
[0006]
本发明还公开了一种逆变器与电网互补的电动机供电方法，包括逆变器供电转换至电网供电控制方法和电网供电转换至逆变器供电控制方法，所述逆变器供电转换至电网供电控制方法包括以下步骤：
步骤1、逆变器软启动过程，闭合需要互补运行电动机的机侧接触器，同时相应网侧接触器处于断开状态，逆变器采用恒压频比方式运行至电网频率；步骤2、逆变器与电网电压同步过程，依据网侧电压检测模块和机侧电压检测模块分别检测得到电网和电容的电压相位与幅值，通过相位pi控制器和幅值pi控制器实现逆变器电压和电网电压的相位同步和幅值同步；步骤3、闭合网侧接触器过程，所述逆变器电压和电网电压相位同步和幅值同步完成后，闭合网侧接触器，使逆变器与电网处于互补供电准备状态；步骤4、功率转移过程，控制逆变器的输出电压的ud和uq分量将逆变器输出功率转移给电网；步骤5、断开机侧接触器过程，断开机侧接触器，实现电网给电动机供电。
[0007]
优选的，所述电网供电转换至逆变器供电控制方法，包括以下步骤：步骤1、逆变器软启动过程，闭合需要互补运行电动机的网侧接触器，同时相应机侧接触器处于断开状态，逆变器采用恒压频比方式运行至电网频率；步骤2、逆变器与电网电压同步过程，依据网侧电压检测模块和机侧电压检测模块分别检测得到的电网和电容的电压相位与幅值，通过相位pi控制器和幅值pi控制器实现逆变器电压和电网电压的相位同步和幅值同步；步骤3、闭合机侧接触器过程，所述逆变器电压和电网电压的相位同步和幅值同步完成后，闭合机侧接触器，使电网与逆变器处于互补供电准备状态；步骤4、功率转移过程，控制逆变器的输出电压的ud和uq分量将电网输出功率转移给逆变器；步骤5、断开网侧接触器过程，断开网侧接触器，实现逆变器给电动机供电。
[0008]
优选的，所述功率转移通过控制逆变器和电网电压同相位的电压分量来控制逆变器的无功功率，控制逆变器和电网电压正交的电压分量来控制逆变器的有功功率，完成逆变器和电网之间的功率转移。
[0009]
本发明的优点在于：本发明在逆变器切换前采用v/f控制，控制方法简单，可以实现任意数量的电动机切换，可扩展性强，降低了成本，逆变器与电网互补供电切换的过渡过程缓慢，对电动机和电网没有电流和机械的冲击，实现了柔性切换，每个电动机仅需2个接触器即可完成逆变器与电网的互补供电，电路结构简单，开关数量少。
[0010]
附图说明
[0011]
图1为本装置的连接框图。
[0012]
图2为电网供电转换至逆变器供电控制方法的流程图。
[0013]
图3为逆变器供电转换至电网供电控制方法的流程图。
[0014]
图4为逆变器与电网电压同步的控制原理图。
[0015]
图5为逆变器与电网功率转移原理分析图。
[0016]
图6为逆变器与电网功率转移控制原理图。
[0017]
具体实施方式
[0018]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0019]
如图1所示，一种逆变器与电网互补的电动机供电装置，包括三相全桥逆变器、lc滤波器、电动机、电网和控制器，所述三相全桥逆变器连接lc滤波器，电动机通过机侧接触器和lc滤波器相连，电动机还通过网侧接触器与电网相连，所述lc滤波器输出端连接机侧电压检测模块，检测lc滤波器中电容两端电压，所述电网输出端连接网侧电压检测模块，检测电网电压，所述控制器连接机测电压检测模块和网侧电压检测模块，用来接收电压信号，所述控制器还连接三相全桥逆变器、机侧接触器和网侧接触器，分别控制三相全桥逆变器输出电压，机侧接触器和网侧接触器的通断。
[0020]
在本实施例中，所述电动机个数为n，所述机侧接触器和网侧接触器个数也为n，所述机侧接触器k
b1
、k
b2
、
…
、k
bn
相互并联，分别对应接至电动机1、电动机2、
…
、电动机n的三相绕组进线端，所述电动机1、电动机2、
…
、电动机n的三相绕组进线端分别串联对应的网侧接触器k
g1
、k
g2
、
…
、k
gn
，所述网侧接触器k
g1
、k
g2
、
…
、k
gn
相互并联挂接在三相电网输出端，所述逆变器可实现n个电动机的顺序软启动。
[0021]
一种逆变器与电网互补的电动机供电方法，包括逆变器供电转换至电网供电控制方法和电网供电转换至逆变器供电控制方法，如图2所示，所述逆变器供电转换至电网供电控制方法过程如下：步骤1：逆变器软启动过程，首先控制器闭合需要启动的电动机的机侧接触器，其他无需启动的电动机的机侧接触器保持断开。采用恒压频比（v/f）控制方式将电动机工作频率运行到电网频率（一般为50hz）。
[0022]
步骤2：逆变器与电网电压同步过程，检测电网和滤波器电容的相位，通过图4方法实现电网电压和电容端电压相位同步，幅值相同。
[0023]
电网投入工作前，首先需要保证电容端电压与电网电压的频率、幅值以及相位均相同，从而实现无冲击投切，网侧电压检测模块和机侧电压检测模块对电网电压和滤波器电容端电压进行检测，并调整逆变器的输出电压和相位。
[0024]
如图4所示，机侧电压检测模块检测逆变器输出滤波电容两端电压幅值ucap和相位φcap；网侧电压检测模块检测电网的电压幅值ugrid和相位φgrid；电容电压相位φcap和电网电压相位φgrid做差送入相位pi控制器得到输出频率调节量δf；输出频率调节量δf与电网频率fgrid相加得到逆变器输出电压频率finv；逆变器输出电压频率finv积分后得到逆变器输出电压相位φinv；依据逆变器输出电压频率finv和恒压频比曲线（v/f=恒值）确定电压u1；电容电压幅值ucap和电网电压幅值ugrid相位做差送入幅值pi控制器得到输出电压调节量δu；输出电压调节量δu与电压u1相加得到逆变器输出电压幅值uinv。
[0025]
步骤3：闭合网侧接触器过程，步骤2完成并稳定一段时间后控制器闭合需要启动的电动机所对应的网侧接触器，为步骤4做准备。
[0026]
步骤4：功率转移过程，逆变器输出的id和iq给定值从当前实际值开始缓慢下降，并通过调节ud和uq分量将总输出电流降低为零。
[0027]
电网刚投入工作时电网不输出电流，电动机负载电流全部由逆变器提供。如果此时带电流断开机侧接触器，会造成拉弧等现象，影响接触器寿命。因此需要将逆变器的输出功率转移给电网后才可断开机侧接触器。
[0028]
如图5所示，将电压和电流在复平面上表示，假设逆变器输出电压uinv表示为，其中ud、uq分别表示逆变器输出电压uinv在dq轴上的投影，假设逆变器输出电流i
f
表示为 ，其中id、iq分别表示逆变器输出电流i
f
在dq轴上的投影，依据各物理量间的相位关系可以得到 ，其中ug表示电网电压。由此可见逆变器输出电流iq与电网电压正交，且正比于ud，逆变器输出电流id正比于逆变器uq。由于电容和负载电流和恒定，通过合理控制ud和uq可实现将逆变器输出功率转移给电网的过程。
[0029]
如图6所示，根据动态调节需求设置给定id变化的斜坡曲线作为id电流的给定值；根据动态调节需求设置给定iq变化的斜坡曲线作为iq电流的给定值 ；逆变器三相电流经过坐标变换得到实际的id和iq电流；给定 与实际id做差送入pi控制器得到uq；实际iq与给定 做差送入pi控制器得到ud；ud和uq经过极坐标变换并与电网相位φgrid相加后分别得到逆变器输出电压的幅值uinv和相位φinv。
[0030]
步骤5：断开机侧接触器过程，完成步骤4并经过一段时间后，负载电动机的功率输入已由逆变器切换到电网，逆变器已经不输出功率，此时控制器控制机侧接触器断开，为启动下一台电动机做准备。
[0031]
至此完成一台电动机由逆变器供电切换至电网供电的过程，重复步骤1至步骤5启动下一台需要供电切换的电动机。
[0032]
如图3所示，所述电网供电转换至逆变器供电控制方法，包括以下步骤：步骤1、逆变器软启动过程，闭合需要互补运行电动机的网侧接触器，同时相应机侧接触器处于断开状态，逆变器采用恒压频比方式运行至电网频率；步骤2、逆变器与电网电压同步过程，检测电网和滤波器电容的相位，通过图4方法实现电网电压和电容端电压相位同步，幅值相同；步骤3、闭合机侧接触器过程，步骤2完成并稳定一段时间后控制器闭合需要启动的电动机所对应的机侧接触器，为步骤4做准备；步骤4、功率转移过程，逆变器缓慢调节ud和uq分量使输出电压和电网电压达到相同，在此过程中逆变器输出电流id、iq从零开始增加；步骤5、断开网侧接触器过程，完成步骤4并经过一段时间后，负载电动机的功率输入已由电网切换到逆变器，电网已经不输出功率，此时控制器控制网侧接触器断开，为启动下一台电动机做准备。
[0033]
由于电网供电转换至逆变器供电控制方法中逆变器软启动控制、逆变器与电网电压同步控制和功率转移控制过程均和逆变器供电转换至电网供电控制方法相同，具体控制过程不再赘述。
[0034]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方法来实现。因此，上述公开的实施方法，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。